Электронное учебно-методическое пособие по учебной дисциплине Материаловедение для учащихся специальности 2-41 01 31 Микроэлектроника

1.3.2 Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, цианирование

ХТО называется технологический процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя деталей различными элементами, с целью изменения состава, структуры и свойств их поверхностного слоя.

При ХТО одновременно протекает три процесса:

1)образование химического элемента в активированном атомарном состоянии путем испарения или в результате химической реакции;

2)адсорбция атомов химического элемента поверхностью, которая подлежит обработке;

3)диффузия адсорбированных на поверхности атомов в глубь изделия. Цементацией стали называется технологический процесс диффузионно-

го насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация применяется для деталей, работающих в условиях трения и высоких контактных давлений (зубчатые колёса, валы, распределительные валы).

Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (15ХР, 20ХР, 20Х, 20ХНР, 18ХГТ, 12ХН3). Глубина це-

ментованного слоя стали 0,5-4 мм.

После цементации изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. В результате такой обработки твёрдость поверхностного слоя высокая

при сохранении вязкой сердцевины.

Применяют два вида цементации:

1) твёрдую, при которой карбюризатором, т. е. науглероживающим веществом служит смесь древесного угля и углекислых солей (BaCO3, Na2CO3, K2CO3). Соли добавляют к древесному углю в количестве 10-30% для ускорения процесса. Детали укладывают в металлические ящики и пересыпают твёрдым карбюризатором так, чтобы они не соприкасались друг с другом и со стенками и дном ящика. Сверху ящик закрывают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики устанавливают в печь и нагревают до температуры 910-950ْС. При такой температуре уголь взаимодействует с кислородом воздуха, сохранившегося в порах засыпки по реакции: 2С+О2=2СО.

Оксид углерода разлагается на диоксид углерода СО2 и атомарный углерод Сат , т.е. 2СО=СО2+Сат.

Углекислые соли ускоряют процесс, предотвращают спекание частиц карбюризатора, а также разлагаясь, увеличивают количество СО и СО2.

Цементация в твёрдом карбюризаторе – длительный процесс (для получения слоя в 1 мм при температуре 930ْС длительность процесса 10 ч), поэтому применяется в мелкосерийном и индивидуальном производстве.

51

2)газовую, которую применяют для деталей в массовом производстве. В качестве карбюризатора применяют природный газ (метан - СН4). СН4=2Н2+Сат, 2СО=СО2+Сат. Газовая цементация осуществляется в конвейерных печах. Деталь помещают в печь на металлических поддонах, специальных подвесках. Продолжительность выдержки при температуре 930-950ْС для слоя глубиной 1мм составляет 4-5ч.

Преимущества газовой цементации:

1)меньшая продолжительность процесса;

2)возможность точного регулирования процесса за счёт изменения соста-

ва газа;

3)возможность производить закалку прямо из печи при температуре 840-

860ْС.

После цементации сталей с крупнозернистой структурой применяют двойную закалку. После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при температуре 160-180ْС.

В результате ТО поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и аустенита остаточного.

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве до 500-600ْС в аммиаке (NH3).

В результате азотирования повышается твёрдость и износостойкость. Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, которые прошли закалку и высокий отпуск. После азотирования детали шли-

фуют или полируют. Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герметичные камеры, куда подаётся аммиак, который при нагреве разлагается с образованием азота (2NH3=6H+2Nат). Длительность процесса зависит от необходимой толщины азотированного слоя (30-60часов). Слой составляет 0,3-

0,5мм.

При высокой температуре аммиак разлагается, выделяющийся при этом азот проникает в поверхность стали, образовывая с железом химические соединения – нитриды, отличающиеся очень высокой твёрдостью. Азотирование производится в герметизированных камерных печах.

Нитроцементация – насыщение поверхностного слоя стали углеродом и азотом из смеси газов (СО, СО2, Н2, СН4, NH3).

При высокой температурной нитроцементации температура 830950ْС. Насыщение идёт в основном углеродом. Продолжительность процесса

4-10ч.

После высокотемпературной нитроцементации осуществляют закалку 800-825ْС и низкий отпуск при температуре 160-180ْС. Толщина слоя 0,2-

0,8мм. Структура – мелкоигольчатый мартенсит + аустенит остаточный.

52

Низкотемпературная нитроцементация (550-570ْС) – насыщение идёт в основном азотом. Проводится для инструмента из быстрорежущей стали. Длительность процесса 1,5-3ч.

Перед низкотемпературной нитроцементацией осуществляют закалку и высокий отпуск. Толщина слоя 0,02-0,04мм.

Цианирование – поверхностное насыщение углеродом и азотом из расплавленных цианистых солей NaCN c добавками солей NaCl, BaCl и др.

Высокотемпературное цианирование (780-930ْС) – насыщение в основном углеродом, затем закалка и низкий отпуск. Глубина слоя 0,16-0,35мм и в нем содержится примерно 0,7% С и 0,1% N.

Низкотемпературное цианирование (550-570ْС) – используется с це-

лью повышения режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали. Глу-

бина слоя 0,02-0,06мм. Насыщение идёт в основном азотом.

Перед цианированием – закалка и высокий отпуск.

53

Тема 2.1 Физические процессы в проводниках Электропроводность металлов. Классификация проводниковых материалов

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным электри-

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на:

1)Газообразные – все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются

диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением . Однако при напряженности электрического поля, которая обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой. Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.

2)Жидкие – расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул. Растворы

ирасплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления. Только ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий-галий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре. Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.

3)Твердые – металлы и сплавы. В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева 75% элементов – металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса вещества одного металла в другой, как это имеет место при прохождении тока в электролитах, поскольку перенос электрических зарядов осуществляется только электронами. Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который создается приложенным извне напряжением. По-

54

этому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах проводниковые материалы разделяют на материалы:

1) высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление

др., используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.

лов для термопар. Наиболее известные: медно-марганцевые (манганины), мед- но-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

3)сверхпроводники – материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при очень низких температурах. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

4)неметаллические проводники (уголь, графит, сажа, бороуглеродистые пленки, высокоионизированные газы).

Свойства проводниковых материалов:

а) Механические свойства: прочность, твёрдость, упругость, вязкость, ударная вязкость, пластичность, хрупкость, усталость.

б) Технологические свойства: ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств материала проводят соответствующие лабораторные испытания.

в) Физико-химические свойства: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионная стойкость и др. Физико-химические свойства оценивают:

1)удельным электрическим сопротивлением , для образцов правиль-

для практических целей 1 Ом•м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах: 1 Ом•м =106 мкОм•м = 106 Ом•мм2/м (для серебра = 0.016 мкОм•м.)

Наличие примесей и дефектов в кристаллической решетке увеличивает . 2) удельной электрической проводимостью 1 , См/м. Зависит от тем-

пературы, чем выше температура, тем меньше проводимость.

55

3) температурным коэффициентом удельного электрического сопро-

4) коэффициентом теплопроводности. Если через пластину площадью

S и толщиной l за время t проходит тепловой поток энергии , то между поверхностями противоположных граней создается разность температур T , свя-

теплопроводности проводников, который прямо пропорционален их удельной проводимости . Чем выше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность. Поэтому теплоотводящие устройства, например мощных резисторов, полупроводниковых приборов, изготавливают из металлов с высокой электропроводностью (медь, алюминий и сплавы на их основе).

56

2.2 Материалы высокой проводимости 2.2.1 Проводниковые медь и алюминий и их сплавы.

К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления ; достаточно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении

иотносительное удлинение при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке

идругих методах соединения проводов; коррозионная стойкость. Для улучшения свойств эти материалы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.

Медь – металл красноватого цвета. ГЦК – решётка не претерпевает превращений при нагреве. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошей способностью к пайке и сварке. Медь плохо обрабатывается резанием, имеет невысокие литейные свойства. Температура плавления 1083 С; в литом состоянии механическая прочность

меди невысокая в 160 МПа, но пластичность хорошая 25% . Холодная пластическая деформация повышает в до 450 МПа, но пластичность при этом снижается.

ГОСТ 859-2001 распространяется на медь, изготавливаемую в виде: 1) катодов следующих марок: М00к, М0к, М1к, М2к.

Маркировка: к - катодная медь, цифры отражают содержание меди: 00

(99,99%), 0 (99,97%),1 (99,95%) и 2 (99,93%).

2) литых и деформированных полуфабрикатов следующих марок: М00б,

М0б, М1б, М1р, М1ф, М2р, M3р, М1, М2, М3 и др.

Маркировка:

б - бескислородная, р и ф - раскисленная, цифры (0 до 3) – условный порядковый номер, чем больше цифра, тем больше примесей в меди.

Пример: Медь марки М00б – медь бескислородная с порядковым номером 00.

Медь марки М00к – медь катодная со средней массовой долей меди 99,99%, остальное примеси.

Различают:

МТ – твердая медь; получают при холодной протяжке; обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью; применяют для проводов воздушных линий, распределительных силовых щитов, коллекторов электрических машин, как правило, в неизолированном виде.

57

ММ - мягкая (отожженная) медь, имеет электропроводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди; применяют для токопроводящих шин, кабелей, обмоточных и монтажных проводов.

MB - вакуумная медь, выплавляемая в вакуумных индукционных печах (не более 0,01% примесей).

Основная масса меди используется для приготовления сплавов на её основе (латуней и бронз), которые имеют более высокие механические свойства.

Латуни – сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 45%). Дешевле меди, хорошие литейные свойства, работают при отрицательных температурах. По технологическим свойствам бывают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные (предназначены для изготовления отливок).

Деформируемые латуни согласно ГОСТ 15527 – 2004:

а) Простые (двойные) латуни

Двойные латуни Л96, Л90, Л85 (84-97% меди) называют томпаками. Латунь Л80 называют полутомпаком. Широко применяются в технике более дешёвые латуни Л70, Л68, Л63, Л60.

Маркировка:

Л – латунь, цифра – средняя массовая доля меди в %, остальное цинк. Пример: Л60 – простая (двойная) латунь со средней массовой долей меди

60%, остальное (40%) - средняя массовая доля цинка.

Прочность двойных латуней (Л96…Л60) возрастает по мере увеличения содержания цинка, улучшается их обрабатываемость резанием, но снижается их коррозионная стойкость. Для улучшения технологических свойств латуни легируют различными элементами.

б) Специальные (многокомпонентные) латуни в своём составе кроме

Остальное – массовая доля цинка.

Пример: ЛАЖ60-1-1 – деформируемая специальная латунь, со средней массовой долей меди 60 %, алюминия 1%, железа 1 %, остальное (38%) - средняя массовая доля цинка. Различают:

1) Алюминиевые (ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2 и др.). За счёт леги-

58

рующих элементов повышенная стойкость к щелочам и разбавленным кислотам. Недостаток – подверженность коррозионному растрескиванию, ухудшение паяемости.

2)Марганцевая (ЛМц58-2). Более высокая прочность, твёрдость, коррозионная стойкость.

3)Железомарганцевая (ЛЖМц59-1-1). Высокая прочность и вязкость, коррозионная стойкость в атмосфере и морской воде.

4)Оловянные (ЛО90-1, ЛО70-1, ЛО62-1, ЛО60-1). Повышенная коррозионная стойкость в морской воде.

5)Свинцовые (ЛС74-3, ЛС64-2, ЛС63-3, ЛС59-1, ЛС58-3, ЛС58-2). Хо-

рошие антифрикционные свойства.

6)Кремнистые (ЛКБО62-0,2-0,04-0,5; ЛОК59-1-0,3). Более устойчивые

ккоррозионному растрескиванию.

7)Мышьяковые (ЛМш68-0,05). Высокая коррозионная стойкость в морской и пресной воде при повышенных температурах.

Литейные латуни ГОСТ 17711 – 93. Маркировка: буквы – то же; цифры после Ц – средняя массовая доля цинка в %, последующие – средняя массовая доля других элементов в % в том же порядке, как и буквы. Остальное – средняя массовая доля меди.

Пример: ЛЦ16К4 – литейная латунь со средней массовой долей цинка 16%, кремния 4%, остальное (80%) - средняя массовая доля меди.

Различают:

1)Свинцовые ЛЦ40С (изготавливают втулки вкладыши, сепараторы подшипников).

2)Марганцевая ЛЦ40Мц1,5 (детали простой конфигурации, работающие при ударных нагрузках).

3)Марганцево-железная ЛЦ40Мц3Ж (детали сложной конфигурации, гребные винты и их лопасти).

4)Марганцево-алюминиевая ЛЦ40Мц3А (детали несложной конфигу-

рации).

5)Марганцево-свинцовая ЛЦ37Мц2С2К (антифрикционные детали, ар-

матура).

6)Алюминиевая ЛЦ30А3 ( арматура для судостроения).

7)Оловянно-свинцовая ЛЦ25С2 (для изготовления штуцеров гидросистемы автомобилей).

8)Алюминиево-железо-марганцевая ЛЦ23А6Ж3Мц2 (гайки, червячные

винты).

9)Кремнистая ЛЦ16К4 (детали, работающие при температуре до 250 оС

ив морской воде).

10)Кремнисто-свинцовая ЛЦ14К3С3 (подшипники, втулки).

59

Бронза – сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами. Отличаются малой объёмной усадкой при литье, хорошо обрабатываются резанием, давлением и хорошо паяются. По химическому составу бронзы делятся на оловянные (имеют ограниченное применение из-за дефицитности олова) и безоловянные. По технологическим свойствам бывают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные (предназначены для изготовления отливок).

Маркировка деформируемых бронз: Бр - бронза, затем следуют буквы и цифры, показывающие легирующие элементы и среднюю массовую долю этих элементов в %, остальное средняя массовая доля меди. Буквы, обозначающие легирующие элементы такие же, как и в маркировке латуней.

Пример: БрАЖ9-4 – бронза деформируемая, безоловянная, со средней массовой долей алюминия 9%, железа 4%, остальное (87%) - средняя массовая доля меди.

Маркировка для литейных бронз после букв Бр следует буквенное обозначение основного легирующего элемента и цифра, указывающая его среднюю массовую долю в %, а затем следуют буквы и цифры для других легирующих элементов.

Пример: БрО10С10 – бронза литейная, оловянная, со средней массовой долей олова 10%, свинца 10%, остальное (80%) - средняя массовая доля меди.

Бронзы безоловянные деформируемые – ГОСТ 18175 – 78 применяют-

ся как заменители дефицитных оловянных бронз. Различают:

1)Алюминиевые БрА5 (детали работающие в морской воде, детали для химической промышленности), БрА7 (пружины и пружинящие детали, скользящие контакты), БрАЖ9-4 (шестерни, втулки, седла клапанов в авиапромышленности), БрАМц9-2 (трубные доски конденсаторов, износостойкие детали, винты, валы, детали для гидравлических установок) и др.

2)Бериллиевые БрБ2 (пружины, пружинящие детали ответственного назначения, износостойкие детали всех видов, искрящие инструменты).

3)Кремневые БрКМц3-1 (пружины, пружинистые детали, детали для судостроения и сварных конструкций),

4)Марганцевые БрМц5 (детали и изделия, работающие при повышенных температурах).

5)Кадмиевые и магниевые БрКд1; БрМг0,3 (коллекторы электродвигателей, детали контактной сварки и др.).

6)Серебряная БрСр0,1 (коллекторные кольца, обмотки роторов турбогенераторов).

7)Хромовая БрХ1 (электроды для сварки, электродетали, оборудование сварочных машин).

Бронзы безоловянные литейные – ГОСТ 493–79, наибольшее распро-

60